Czy to topologiczne? Nowa baza materiałów ma odpowiedź

Co trzeba zrobić, aby nasza elektronika była inteligentniejsza, szybsza i bardziej elastyczna? Jednym z pomysłów jest budowanie ich z materiałów topologicznych.

Topologia wywodzi się z dziedziny matematyki, która bada kształty, którymi można manipulować lub zniekształcać bez utraty podstawowych właściwości. Częstym przykładem jest pączek: jeśli jest wykonany z gumy, można go zwinąć i wcisnąć w zupełnie nowy kształt, jak kubek do kawy, zachowując kluczową cechę – centralny otwór, który przyjmuje kształt uchwytu filiżanki. Dziura w tym przypadku jest cechą topologiczną, odporną na pewne zniekształcenia.

W ostatnich latach naukowcy zastosowali koncepcje topologiczne, aby odkryć materiały o podobnych silnych właściwościach elektronicznych. W 2007 roku naukowcy przewidzieli pierwsze elektroniczne izolatory topologiczne – materiały, w których elektrony zachowują się w sposób „topologicznie chroniony” lub niezmienny w obliczu pewnych perturbacji.

Od tego czasu naukowcy poszukują więcej materiałów topologicznych w celu zbudowania lepszych i mocniejszych urządzeń elektronicznych. Do niedawna zidentyfikowano tylko kilka z tych materiałów, dlatego zakładano, że są rzadkie.

Teraz naukowcy z MIT i innych miejsc odkryli, że w rzeczywistości materiały topologiczne są wszędzie, jeśli wiesz, jak ich szukać.

W artykule badawczym opublikowanym w Science, zespół kierowany przez Nicolasa Regnoulta z Princeton University i École Normale Superior Paris donosi, że wykorzystuje moc wielu superkomputerów do mapowania struktury elektronicznej ponad 96 000 naturalnych i syntetycznych materiałów krystalicznych. Zastosowali złożone filtry, aby określić, czy i jakie cechy topologiczne są obecne w każdej strukturze.

Ogólnie rzecz biorąc, odkryli, że 90 procent wszystkich znanych struktur krystalicznych zawiera co najmniej jedną właściwość topologiczną, a ponad 50 procent wszystkich naturalnie występujących materiałów wykazuje pewien typ topologicznego zachowania.

„Odkryliśmy, że istnieje wszechobecność – wszechobecna topologia” – mówi Benjamin Wider, współkierownik badania i badacz z tytułem doktora na Wydziale Fizyki MIT.

Zespół zsyntetyzował nowo zidentyfikowany materiał w nowy materiał, do którego można uzyskać bezpłatny dostęp topologia Baza danych materiałów jest podobna do okresowego układu topologii. Dzięki tej nowej bibliotece naukowcy mogą szybko przeszukiwać interesujące materiały pod kątem dowolnych właściwości topologicznych, jakie mogą posiadać, i wykorzystywać je do budowy tranzystorów o bardzo małej mocy, nowych pamięci magnetycznych i innych urządzeń o silnych właściwościach elektronicznych.

Badania obejmują współautorkę Mayę Vergniory z Międzynarodowego Centrum Fizyki Donostia, Luisa Elkoro z Uniwersytetu Kraju Basków, Stuarta Parkina i Claudię Felser z Instytutu Maxa Plancka oraz Andre Berneviga z Uniwersytetu Princeton.

poza intuicją

Nowe badanie było motywowane chęcią przyspieszenia tradycyjnych poszukiwań materiałów topologicznych.

„Sposób, w jaki znaleziono oryginalne materiały, odbywał się dzięki chemicznej intuicji” – mówi Vader. „To podejście odniosło wiele wczesnych sukcesów. Ale ponieważ teoretycznie spodziewalibyśmy się większej liczby faz topologicznych, intuicja nie wydawała się prowadzić nas daleko”.

Zamiast tego Vader i współpracownicy zastosowali skuteczną i systematyczną metodę, aby wykorzenić oznaki topologii lub silnego zachowania elektronowego we wszystkich znanych strukturach krystalicznych, znanych również jako ciała stałe nieorganiczne.

W ramach swoich badań naukowcy skorzystali z bazy danych nieorganicznych struktur krystalicznych (ICSD), repozytorium, w którym naukowcy wchodzą w struktury atomowe i chemiczne badanych materiałów krystalicznych. Baza danych zawiera substancje występujące w przyrodzie, a także te, które zostały zsyntetyzowane i przetworzone w laboratorium. ICSD to obecnie największa na świecie baza danych materiałów, zawierająca ponad 193 000 kryształów, których struktury zostały zmapowane i scharakteryzowane.

Zespół pobrał cały ICSD, a po wykonaniu pewnego czyszczenia danych w celu usunięcia struktur z uszkodzonymi plikami lub niekompletnymi danymi, naukowcom pozostało nieco ponad 96 000 adresowalnych struktur. Dla każdej z tych struktur wykonali zestaw obliczeń opartych na podstawowej wiedzy na temat relacji między składnikami chemicznymi, aby stworzyć mapę struktury elektronowej materiału, znanej również jako elektronowa struktura pasmowa.

Zespół był w stanie skutecznie wykonać złożone obliczenia dla każdej struktury przy użyciu wielu superkomputerów, które następnie wykorzystał do wykonania drugiego zestawu operacji, tym razem badając różne znane fazy topologiczne lub ciągłe zachowanie elektryczne w każdym materiale krystalicznym.

„Szukamy sygnatur w strukturze elektronowej, w których w tym materiale powinny wystąpić jakieś silne zjawiska” – wyjaśnia Wieder, którego poprzednie prace obejmowały udoskonalenie i rozszerzenie techniki przesiewowej, znanej jako topologiczna chemia kwantowa.

Na podstawie wysokoprzepustowej analizy zespół szybko odkrył zaskakująco dużą liczbę naturalnie występujących materiałów topologicznych, bez żadnych eksperymentalnych manipulacji, a także materiałów, którymi można manipulować, na przykład za pomocą domieszkowania światła lub chemicznego, w celu wykazania pewnego rodzaju wytrzymałości. zachowanie elektroniczne. Odkryli również grupę materiałów, które w określonych warunkach mają więcej niż jeden stan topologiczny.

„Topologiczne fazy materii w trójwymiarowych materiałach ciała stałego zostały zaproponowane jako miejsca do obserwacji i manipulowania egzotycznymi efektami, w tym wzajemna konwersja prądu elektrycznego i spinu elektronu, symulacje stołowe egzotycznych teorii z fizyki wysokich energii, a nawet z prawej warunków, przechowywania i przetwarzania informacji kwantowej”, zauważa Feeder.

Eksperymentatorom badającym takie efekty, Wieder mówi, że nowa baza danych zespołu ujawnia teraz wiele nowych materiałów do zbadania.

Badania te były częściowo finansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Narodową Fundację Nauki oraz Biuro Badań Morskich.